【文章內(nèi)容簡介】 個(gè)開關(guān)被觸發(fā)時(shí)，它會給輸入輸出卡一個(gè)中斷信號，同時(shí)，輸入輸出卡會發(fā)給計(jì)算機(jī)一個(gè)信號，當(dāng)計(jì)算機(jī)端檢測到這個(gè)信號時(shí)，通知視頻采集卡執(zhí)行抓拍動作，并把抓拍到的圖像保存到計(jì)算機(jī)中等待處理。由于生產(chǎn)線的傳輸速度比較低，而限位開關(guān)從觸發(fā)到被計(jì)算機(jī)響應(yīng)時(shí)間非常短，所以當(dāng)計(jì)算機(jī)執(zhí)行抓拍動作時(shí)，產(chǎn)品還在成像區(qū)的正中間，基本不會偏離成像區(qū)的中間位置，即使出現(xiàn)了微小的偏離現(xiàn)象，通過多次的實(shí)驗(yàn)知，這個(gè)偏離也在系統(tǒng)的誤差范圍內(nèi)。流程圖如下：圖 圖像采集流程圖在等待限位開關(guān)的信號時(shí)，通過PCI2312型號的16路輸入輸出卡把信號傳輸給計(jì)算機(jī)。由于本系統(tǒng)用了兩個(gè)攝像頭來采集產(chǎn)品的形狀和坐標(biāo)信息，因此視頻采集卡應(yīng)至少含有兩路視頻輸入口。考慮到系統(tǒng)以后升級時(shí)可能增加攝像頭，需要多預(yù)留12路視頻輸入口，因此本系統(tǒng)選用了含有4路視頻輸入口的DS4004HC圖像采集卡。 DS4004HC圖像采集卡本測試系統(tǒng)采用的是?？低暪镜腄S4004HC型號的視頻采集卡，DS4004HC系列壓縮板卡是海康威視的第三代視音頻壓縮卡。它采用高可靠性、低功耗的視頻處理器，可用于音視頻數(shù)據(jù)流的實(shí)時(shí)采集和壓縮編碼。 DS4004HC型號的采集卡具有以下功能和性能： （1） DS4004HC支持4路音頻輸入和4路視頻輸入。（2） DS4004HC采用DM642—DSP處理器實(shí)現(xiàn)對音視頻的實(shí)時(shí)壓縮。（3） 開放的SDK使用戶根據(jù)自己的需要編寫應(yīng)用軟件。（4） 可根據(jù)用戶的需要設(shè)置編碼的幀格式、碼率、圖像質(zhì)量。（5） 支持運(yùn)動檢測、OSD、LOGO和區(qū)域屏蔽以及水印技術(shù)。（6） 預(yù)覽分辨率和編碼分辨率可達(dá)4CIF，進(jìn)行壓縮不丟幀。采集卡如圖所示： 圖像采集卡 PCI2312光電隔離DI/DO卡PCI2312是一塊光電隔離輸入輸出板，具有16路開光量隔離輸入和16路開關(guān)隔離輸出。主要用于工業(yè)控制及相關(guān)領(lǐng)域，它的性能和功能介紹如下：(1)16路開關(guān)量輸入通道，16路開關(guān)量輸出通道(光電隔離)。(2)輸入輸出信號最高切換頻率 10KHz(方波)(3)輸入輸出電壓為5V~24V(4)輸入輸出電壓為5V~24V(5)工作溫度：10℃~55℃(6)儲存溫度：20℃~80℃PCI2312光電隔離DI/DO卡如圖所示： PCI2312光電隔離DI/DO卡 軟件設(shè)計(jì)流程上面介紹了圖像的采集工作過程，下面主要介紹一下利用軟件來設(shè)計(jì)圖像采集的過程。 采集圖像的軟件設(shè)計(jì)流程初始化是由函數(shù)InitDSPs()函數(shù)完成的。若初始化成功，該函數(shù)返回可用的編碼通道，否則返回零，表示初始化失敗，可能沒有找到相應(yīng)的DSP模塊，系統(tǒng)退出。若系統(tǒng)初始化完成了，接著判斷該采集卡有幾個(gè)可用通道，并打開相應(yīng)的通道，獲取通道由GetTotalDSPs()函數(shù)完成，打開通道由ChannelOpen(int ChannelNum) 函數(shù)完成，該函數(shù)有一個(gè)參數(shù)，表示具體的通道號，若打開失敗，直接退出系統(tǒng)，若成功，則返回該通道的通道句柄，以后該通道的相關(guān)操作都需要該通道句柄。在成功初始化采集卡并打開通道的情況下，接著就設(shè)置預(yù)覽模式。設(shè)置預(yù)覽模式由函數(shù)SetPreviewOverlayMode()完成，返回0表示顯卡支持板卡的Overlay預(yù)覽方式，并啟動Overlay預(yù)覽模式。Overlay(覆蓋)是一種數(shù)字視頻的顯示技術(shù)，它允許數(shù)字信號不經(jīng)過顯示芯片處理，而直接通過顯存輸出到顯示器屏幕上。Overlay顯示模式最大的用途在于優(yōu)化視頻播放。由于不同的視頻有不同基準(zhǔn)色調(diào)、亮度、對比度和飽和度，對于不同的電腦、不同的視頻文件，為了獲得最好的顯示效果就需要對各種顯示屬性進(jìn)行調(diào)節(jié)，普通顯示模式顯然無法勝任，因而就使用Overlay顯示模式進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié)。Overlay顯示模式具有速度快、畫質(zhì)好、占用系統(tǒng)資源少等特點(diǎn)，特別適合于視頻文件的播放。在成功設(shè)置預(yù)覽模式后就啟動預(yù)覽模式，啟動預(yù)覽由StartVideoPreview (HANDLE hChannelHandle,HWND WndHandle, RECT *rect,BOOLEAN bOverlay, int VideoFormat, int FrameRate) 函數(shù)完成 ，該函數(shù)有六個(gè)參數(shù)，HANDLE hChannelHandle表示通道句柄，是ChannelOpen()函數(shù)的返回值；HWND WndHandle，顯示窗口句柄；RECT *rect，顯示窗口內(nèi)的矩形區(qū)域；BOOLEAN bOverlay，是否啟用Overlay預(yù)覽模式；* int VideoFormat，視頻預(yù)覽格式(目前無效)；int FrameRate，視頻預(yù)覽幀率(PAL：125，NTSC：130)。若函數(shù)成功則返回零，并開始預(yù)覽圖像，若失敗則返回相應(yīng)的錯(cuò)誤號。 設(shè)置完預(yù)覽模式后，整個(gè)采集卡的配置工作就完成了。接著就等待抓拍信號，觸發(fā)抓拍操作。抓拍過程主要有兩個(gè)函數(shù)來完成，int GetOriginalImage(HANDLE hChannelHandle,UCHAR*ImageBuf,ULONG*Size)和int SaveYUVToBmpFile(char *FileName, unsigned char *yuv, int Width,int Height)；GetOriginalImage()用來獲取原始圖像yuv422格式數(shù)據(jù)，其中，HANDLE hChannelHandle表示通道句柄，UCHAR *ImageBuf表示原始yuv422格式圖像指針，ULONG *Size表示原始yuv422格式圖像尺寸，函數(shù)調(diào)用前是ImageBuf的大小，調(diào)用后是實(shí)際圖像所占用的字節(jié)數(shù)。而函數(shù)SaveYUVToBmpFile()完成圖像格式轉(zhuǎn)換并將圖像數(shù)據(jù)保存到硬盤上。其中char *FileName表示要保存的圖片文件名及路徑，unsigned char *yuv表示yuv422格式圖像指針，int Width表示保存圖像寬度，int Height表示保存圖像高度，圖片的寬度和高度是由具體的采集卡決定的，本系統(tǒng)使用的采集卡DS4004HC，則所抓圖的寬為704個(gè)像素，高為576個(gè)像素。若用戶程序調(diào)用該函數(shù)成功，則會在指定文件路徑上生成指定文件名的24位bmp文件。 第三章 數(shù)字圖像處理的基本理論 本章主要介紹了數(shù)字圖像處理的基本理論，包括數(shù)字圖像處理的基本知識、圖像表示方法之間的轉(zhuǎn)換、圖像平滑、腐蝕膨脹等基本理論以及圖像處理的工具軟件Matlab的介紹。這些關(guān)于數(shù)字圖像的基本理論是后面數(shù)字圖像處理實(shí)現(xiàn)過程的理論指導(dǎo)。 數(shù)字圖像處理的基本知識 數(shù)字圖像的表示方法(1)彩色圖像彩色圖像不僅有亮度信息，還包含顏色信息。彩色的表示方法很多，最常見的是三基色模型，例如RGB(Red/Green/Blue，紅、綠、藍(lán))三基色模型，利用RGB三基色可以混合成任意顏色。因此，RGB模型在各種彩色成像設(shè)備和彩色顯示設(shè)備中使用，常規(guī)的彩色圖像也都是用RGB三基色來表示的，每個(gè)像素包括RGB三基色數(shù)據(jù)，每個(gè)基色用1個(gè)字節(jié)(8位二進(jìn)制位)表示，則每個(gè)像素的數(shù)據(jù)為3個(gè)字節(jié)(即24位二進(jìn)制位)，這就是人們常說的24位真彩色。(2)灰度圖像灰度圖像是數(shù)字圖像的最基本形式，灰度圖像可以由黑白照片數(shù)字化得到，或從彩色圖像進(jìn)行去色處理得到。灰度圖像只表達(dá)圖像的亮度信息而沒有顏色信息，因此，灰度圖像的每個(gè)像素點(diǎn)上只包含一個(gè)量化的灰度級(即灰度值)，用來表示該點(diǎn)的亮度水平，并且通常由一個(gè)字節(jié)(8個(gè)二進(jìn)制位)來存儲灰度值。如果灰度值用1個(gè)字節(jié)表示，則可以表示的正整數(shù)范圍是0~255，也就是說，像素灰度值取值在0~255之間，灰度級數(shù)為256級。注意到人眼對灰度的分辨能力通常在20~60級，因此，灰度值存儲以字節(jié)為單位既保證了人眼的分辨能力，又符合計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)尋址的習(xí)慣。在特殊應(yīng)用中，可能需要采用更高的灰度級數(shù)，例如CT圖像的灰度級數(shù)高達(dá)數(shù)千，需要采用12位或16位二進(jìn)制位存儲數(shù)據(jù)，但這類圖像通常都采用專用的顯示設(shè)備和軟件來進(jìn)行顯示和處理。(3)二值圖像 二值圖像(Binary image)是指每個(gè)像素不是黑就是白(即每個(gè)像素值只有兩種選擇0或255)，其灰度值沒有中間過渡的圖像。其中像素為0代表黑，像素為255代表白。(1)RGB模型RGB模型是最典型最常用的面向硬件設(shè)備的彩色模型，它與人的視覺系統(tǒng)結(jié)果密切相連。根據(jù)人眼結(jié)構(gòu)，所有顏色都可以看作是三個(gè)基本顏色——紅(R，red)，綠(G，green)和藍(lán)(B，blue)的不同組合。CIE所規(guī)定的紅綠藍(lán)這三種基本色的波長分別為700nm。RGB模型可以建立在笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)里，其中三個(gè)軸分別為R、G、B。： RGB彩色模型RGB模型的空間是個(gè)正立方體，原點(diǎn)對應(yīng)黑色，離原點(diǎn)最遠(yuǎn)的頂點(diǎn)對應(yīng)白色。在這個(gè)模型中，從黑到白的灰度值分布在從原點(diǎn)到離原點(diǎn)最遠(yuǎn)頂點(diǎn)間的連線上，而立方體內(nèi)其余各點(diǎn)對應(yīng)不同的顏色，可用從原點(diǎn)到該點(diǎn)的矢量表示。對于一般的RGB分量中的某一分量，其取值范圍為[0，255]。但為方便起見，總將立方體歸一化為單位立方體，這樣所有的R，G，B的值都在區(qū)間[0，1]之中。根據(jù)這個(gè)模型，每幅彩色圖像包括三個(gè)獨(dú)立的基色平面，或者說可以分解到三個(gè)平面上。(2)HSV模型HSV是指Hue(色相)、Saturation(飽和度)和Value(值或明度)。HSV模型的三維表示從RGB立方體演化而來。設(shè)想從RGB沿立方體對角線的白色頂點(diǎn)向黑色頂點(diǎn)觀察，就可以看到立方體的六邊形外形。六邊形邊界表示色彩，水平軸表示純度，明度沿垂直軸測量。 HSV彩色模型H參數(shù)表示色彩信息，即所處的光譜顏色的位置。該參數(shù)用角度量來表示，紅、綠、藍(lán)分別相隔120度?；パa(bǔ)色分別相差180度。純度S為一比例值，范圍從0到1，它表示成所選顏色的純度和該顏色最大的純度之間的比率。S=0時(shí)，只有灰度。表示色彩的明亮程度，范圍從0到1。有一點(diǎn)要注意：它和光強(qiáng)度之間并沒有直接的聯(lián)系。圓錐的頂面對應(yīng)于V=1. 它包含RGB模型中的R=1，G=1，B=1 三個(gè)面，所代表的顏色較亮。色彩H由繞V軸的旋轉(zhuǎn)角給定。紅色對應(yīng)于角度0176。，綠色對應(yīng)于角度120176。，藍(lán)色對應(yīng)于角度240176。在HSV顏色模型中，每一種顏色和它的補(bǔ)色相差180176。飽和度S取值從0到1，所以圓錐頂面的半徑為１。在圓錐的頂點(diǎn)(即原點(diǎn))處，V=0,H和S無定義，代表黑色。圓錐的頂面中心處S=0，V=1,H無定義，代表白色。從該點(diǎn)到原點(diǎn)代表亮度漸暗的灰色，即具有不同灰度的灰色。對于這些點(diǎn)，S=0，H的值無定義?？梢哉f，HSV模型中的V軸對應(yīng)于RGB顏色空間中的主對角線。 在圓錐頂面的圓周上的顏色，V=1，S=1,這種顏色是純色。圖像平滑主要目的是減少噪聲。圖像中的噪聲種類很多。對圖像信號幅度和相位的影響十分復(fù)雜，有些噪聲和圖像信號互相獨(dú)立不相關(guān)，有些是相關(guān)的，噪聲本身之間也有些相關(guān)。因此要減少圖像中的噪聲，必須針對具體情況采用不同的方法，否則很難獲得滿意的處理效果。圖像中的噪聲往往和信號交織在一起，尤其是乘性噪聲。如果平滑不當(dāng)，就會使圖像本身的細(xì)節(jié)如邊界輪廓，線條等變得模糊不清，從而使圖像降質(zhì)；所以圖像平滑過程總是要付出一定的細(xì)節(jié)模糊代價(jià)。如何既能平滑掉圖像中的噪聲，而又盡量保持圖像細(xì)節(jié)即少付出一些細(xì)節(jié)模糊代價(jià)是圖像平滑研究的主要問題之一。椒鹽噪聲是由圖像傳感器，傳輸信道，解碼處理等產(chǎn)生的黑白相間的亮暗點(diǎn)噪聲。所謂高斯噪聲是指它的概率密度函數(shù)服從高斯分布（即正態(tài)分布）的一類噪聲。中值濾波是基于排序統(tǒng)計(jì)理論的一種能有效抑制噪聲的非線性信號處理技術(shù)，中值濾波的基本原理是把數(shù)字圖像或數(shù)字序列中一點(diǎn)的值用該點(diǎn)的一個(gè)鄰域中各點(diǎn)值的中值代替，讓周圍的像素值接近的真實(shí)值，從而消除孤立的噪聲點(diǎn)。方法是用某種結(jié)構(gòu)的二維滑動模板，將板內(nèi)像素按照像素值的大小進(jìn)行排序，生成單調(diào)上升（或下降）的為二維數(shù)據(jù)序列。二維中值濾波輸出為g（x,y）=med{f(xk,yl),(k,l∈W)} ，其中,f(x,y)，g(x,y)分別為原始圖像和處理后圖像。W為二維模板，通常為2*2，3*3區(qū)域，也可以是不同的的形狀，如線狀，圓形，十字形，圓環(huán)形等。并且中值濾波適合處理椒鹽噪聲（黑白亮點(diǎn)）。由于中值濾波是非線性運(yùn)算，在輸入和輸出之間的頻率上不存在一一對應(yīng)關(guān)系，故不能用一般線性濾波器頻率特性的研究方法。設(shè)G為輸入信號頻譜，F(xiàn)為輸出信號頻譜，定義H=G/F為中值濾波器的頻率響應(yīng)特性，實(shí)現(xiàn)表明H是與G有關(guān)，呈不規(guī)則波動不大的曲線，其均值比較平坦，可以認(rèn)為信號經(jīng)中值濾波后，傳輸函數(shù)近似為1，即中值濾波對信號的頻域影響不大，頻譜基本不變。 均值濾波能消除圖像中的高頻分量，對低頻分量沒有影響。均值濾波也稱為線性濾波，均值濾波采用模板計(jì)算的思想，模板操作實(shí)現(xiàn)一種鄰域運(yùn)算，即某個(gè)像素點(diǎn)的結(jié)果不僅與本像素灰度有關(guān)，而且與其鄰域點(diǎn)的像素值有關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中，要根據(jù)不同的需要選擇使用不同的模板尺寸，如3*5*5等。最簡單的均值濾波是將原圖中的一個(gè)像素的灰度值和它周圍鄰近8個(gè)像素點(diǎn)的灰度值相加，然后將所求的平均值作為新圖中的該像素的灰度值。鄰域平均法用數(shù)學(xué)公式表達(dá)：設(shè)f（i，j）為給定的含有噪聲的圖像，經(jīng)過鄰域平均法處理后的圖像為g（i，j），則g（i，j）=∑f（i，j）/N，（i，j）∈M，M是所取鄰域內(nèi)各鄰近像素的坐標(biāo)，N是鄰域中所包含的臨近像素個(gè)數(shù)。與中值濾波相比均值濾波適合處理高斯噪聲（隨機(jī)噪聲）。由于本文處理的水杯在圖像的中間位置，不會出現(xiàn)在邊緣上，所以選擇3*3均值濾波和5*5均值濾波。 圖像在平滑處理之后，會出現(xiàn)圖像邊緣和圖像輪廓模糊的情況。為了減少這類不利效果的影響，就需要利用圖像銳化技術(shù)，使圖像的邊緣變得清晰。圖像銳化處理的目的是為了使圖像的邊緣、輪廓線以及圖像的細(xì)節(jié)變得清晰，經(jīng)過平滑的圖像變得模糊的根本原因是因?yàn)閳D像受到了平均或積分運(yùn)算，因此可以對其進(jìn)行逆運(yùn)算(如微分運(yùn)算)就可以使圖像變得清晰。從頻率域來考慮，圖像模糊的實(shí)質(zhì)是因?yàn)槠涓哳l分量被衰減，因此可以用高通濾波器來使圖像清晰。但要注